p區元素(二):第15、16族

磷的含氧酸(磷酸)

磷和氮一樣,會用氧在自己周圍搭起酸,但它的含氧酸講的是另一個故事。當家的那個,磷酸(H3PO4,磷為 +5 態),是可樂裡那股酸味的來源,是化肥和食品工業的主力,也是支撐每個活細胞能量經濟的磷酸鹽背後的化學骨架思想。與它並列的還有亞磷酸(H3PO3,磷 +3)和奇特的次磷酸(H3PO2,磷 +1)。

這些結構藏著一個僅看分子式看不出的陷阱。在磷酸 H3PO4 中,中心磷與四個氧成鍵;三個帶 O-H 基團,一個是 P=O,三個氫都可電離,所以它是三元酸。可亞磷酸 H3PO3 雖然寫著三個氫,卻只是二元酸:其中一個氫直接與磷成鍵(一根 P-H 鍵),並不顯酸性。次磷酸 H3PO2 有兩根 P-H 鍵,只是一元酸。規則一旦看穿就很簡單:只有連在氧上的氫(O-H)才能作為質子放出;直接連在磷上的氫不行。這些較低價的含氧酸帶著 P-H 鍵,也是良好的還原劑。

磷酸及其鹽無處不在。這種酸被大規模生產用於化肥(作物所需的磷酸鹽)、軟飲料中調酸味、除鏽轉化處理以及洗滌劑裡。它真正的生物學意義來自 DNA、RNA 和能量貨幣 ATP 中的磷酸酯連接。這裡還藏著一個很好的教學要點:靠看結構而不是看分子式來數可電離的酸性氫,正是無機化學所獎賞的那種思維方式——它也會懲罰任何想當然以為每個氫都顯酸性的人。

寫出 H3PO3,你也許會猜它是三元酸,但去滴定它,只有兩個質子離開:第三個氫以 P-H 鍵焊在磷本身上,永遠不會以 H+ 形式離去。

可電離的酸性質子是 O-H 的故事,不是數氫原子的故事。

磷的含氧酸中可電離質子的數目等於 O-H 基團的數目,而不是氫原子的總數:H3PO4 是三元酸,H3PO3 是二元酸,H3PO2 是一元酸。

又稱
phosphoric acidphosphorous acidH3PO4H3PO3磷酸亞磷酸